Tof-sims的樣品圖像系統(tǒng)和tof-sims的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種TOF-SIMS的樣品圖像系統(tǒng)和TOF-SIMS，樣品圖像系統(tǒng)包括安裝于TOF-SIMS的主腔體外的電荷藕合器件圖像傳感器、變焦鏡頭和光源、以及設(shè)置于主腔體內(nèi)的第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡，第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡通過(guò)安裝孔套裝于二次離子提取系統(tǒng)的殼體。上述TOF-SIMS的樣品圖像系統(tǒng)，通過(guò)在主腔體內(nèi)設(shè)置第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡，實(shí)現(xiàn)了光線的內(nèi)外傳輸，達(dá)到將電荷藕合器件圖像傳感器、變焦鏡頭和光源設(shè)置在主腔體的外部的目的，所以，上述TOF-SIMS的樣品圖像系統(tǒng)節(jié)省了主腔體的內(nèi)部空間，提高了二次離子提取效率。
【專利說(shuō)明】TOF-SIMS的樣品圖像系統(tǒng)和TOF-SIMS
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及化學(xué)分析【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種TOF-SIMS的樣品圖像系統(tǒng)和TOF-SIMSo
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)譜儀是一種可以用于分析多種樣品中各種化學(xué)成分及其含量的科學(xué)儀器，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、食品安全等各個(gè)領(lǐng)域。在常用的各種質(zhì)譜儀中，TOF-SMS(Time of Flight Secondary 1n Mass Spectrometry,飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀)是目前靈敏度最高的表面化學(xué)分析手段之一。
[0003]TOF-SIMS的基本原理是利用聚焦的一次離子束在樣品上進(jìn)行穩(wěn)定的轟擊，一次離子可能受到樣品表面的背散射(概率很小)，也可能穿透固體樣品表面的一些原子層深入到一定深度，在穿透過(guò)程中發(fā)生一系列彈性和非彈性碰撞。一次離子將其部分能量傳遞給晶格原子，這些原子中有一部分向表面運(yùn)動(dòng)，并把能量傳遞給表面離子使之發(fā)射，這種過(guò)程稱為粒子濺射。
[0004]TOF-SIMS的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由位于主腔體內(nèi)的離子源01、一次離子光學(xué)系統(tǒng)02、三維樣品臺(tái)03、樣品圖像系統(tǒng)、二次離子提取系統(tǒng)05、飛行時(shí)間質(zhì)量分析器06和離子檢測(cè)系統(tǒng)07等所組成。由離子源01產(chǎn)生一次離子，一次離子束經(jīng)過(guò)一次離子光學(xué)系統(tǒng)02對(duì)離子進(jìn)行篩選、加速、聚焦等操作后轟擊到由三維樣品臺(tái)03固定的樣品靶04上。在樣品表面濺射出的二次離子經(jīng)二次離子提取系統(tǒng)05提取出來(lái)后加速進(jìn)入飛行時(shí)間質(zhì)量分析器06，根據(jù)離子核質(zhì)比大小的不同，他們飛行到達(dá)離子檢測(cè)器的時(shí)間也不同，從而可以分析出樣品表面不同的元素成分。
[0005]可見(jiàn)，樣品圖像系統(tǒng)是TOF-SMS的重要組成部分，通過(guò)樣品圖像系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一次離子束的束斑形狀、離子束轟擊樣品位置、樣品圖像的清晰度的觀測(cè)，并配合一次離子光學(xué)系統(tǒng)對(duì)一次離子束進(jìn)行優(yōu)化、對(duì)三維樣品臺(tái)進(jìn)行控制完成轟擊點(diǎn)位的設(shè)置和樣品圖像的聚焦等功能。
[0006]目前大部分TOF-SMS中的樣品圖像系統(tǒng)使用折射式光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)(如圖1所示結(jié)構(gòu))，這種結(jié)構(gòu)的圖像系統(tǒng)需要安裝在TOF-SMS的主腔體內(nèi)部，并且需要在主腔體內(nèi)部提供額外的光源08進(jìn)行照明，這需要占用大量的空間，影響主腔體的設(shè)計(jì)和二次離子提取系統(tǒng)的效率。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]本實(shí)用新型提供了一種TOF-SMS的樣品圖像系統(tǒng)和TOF-S MS，用以解決TOF-SIMS的主腔體內(nèi)部空間不足、二次離子提取效率低的問(wèn)題。
[0008]為解決上述問(wèn)題，本實(shí)用新型提供以下技術(shù)方案:
[0009]本實(shí)用新型提供了一種TOF-SMS的樣品圖像系統(tǒng)，包括:安裝于TOF-SMS的主腔體外的電荷藕合器件圖像傳感器、變焦鏡頭和光源、以及設(shè)置于所述主腔體內(nèi)的第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡，所述第一反射鏡、所述第二反射鏡和所述第三反射鏡上設(shè)有安裝孔，所述第一反射鏡、所述第二反射鏡和所述第三反射鏡通過(guò)安裝孔套裝于所述主腔體內(nèi)的二次離子提取系統(tǒng)的殼體；
[0010]在所述光源發(fā)出的光射入所述主腔體的光路中:所述第一反射鏡的一部分位于所述光源的出射光路上，所述第三反射鏡的一部分位于所述第一反射鏡的反射光路上，所述第二反射鏡的一部分位于所述第三反射鏡的反射光路上，TOF-SMS的樣品靶位于所述第二反射鏡的反射光路上；
[0011]在所述樣品靶反射的光射出所述主腔體的光路中:所述第二反射鏡的另一部分位于所述樣品靶的反射光路上，所述第三反射鏡的另一部分位于所述第二反射鏡的反射光路上，所述第一反射鏡的另一部分位于所述第二反射鏡的反射光路上，所述變焦鏡頭位于所述第一反射鏡的反射光路上，所述電荷藕合器件圖像傳感器位于所述變焦鏡頭的出射光路上。
[0012]本實(shí)用新型提供的TOF-SMS的樣品圖像系統(tǒng)，通過(guò)在主腔體內(nèi)設(shè)置第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡，實(shí)現(xiàn)了光線的內(nèi)外傳輸，達(dá)到將電荷藕合器件圖像傳感器、變焦鏡頭和光源設(shè)置在主腔體的外部的目的，節(jié)省了 TOF-SMS的主腔體的內(nèi)部空間，間接提高了主腔體的真空度，并提高了二次離子提取效率。
[0013]所以，本實(shí)用新型提供的TOF-SMS的樣品圖像系統(tǒng)，節(jié)省了 TOF-SMS主腔體的內(nèi)部空間，提高了二次離子提取效率。
[0014]在一些可選的實(shí)施方式中，所述第二反射鏡為球型凹面鏡，所述第三反射鏡為球型凸面鏡，且所述第二反射鏡和所述第三反射鏡同心，所述第二反射鏡和所述第三反射鏡形成史瓦西SchwarzschiId雙反射結(jié)構(gòu)。Schwarzschild雙反射結(jié)構(gòu)在一定參數(shù)設(shè)定下,具有消除三階球面像差、慧差、像散的特性，且成像質(zhì)量好。
[0015]在一些可選的實(shí)施方式中，所述球型凹面鏡的曲率半徑為86.775毫米，所述球型凹面鏡上設(shè)有的安裝孔的直徑為68毫米；所述球型凸面鏡的曲率半徑為33.76毫米，所述球型凸面鏡上設(shè)有的安裝孔的直徑為16毫米；所述球型凹面鏡與所述球型凸面鏡之間的距離為53.016毫米；所述樣品靶與所述球型凸面鏡的球心之間的距離為27.63毫米。
[0016]在一些可選的實(shí)施方式中，所述球型凹面鏡和所述球型凸面鏡的反射面上均設(shè)有鋁反射層。
[0017]在一些可選的實(shí)施方式中，所述第一反射鏡為具有45°斜面的平面反射鏡，所述第一反射鏡上設(shè)有的安裝孔的直徑為16毫米?？蓪⒐庠窗l(fā)出的光線旋轉(zhuǎn)90°。
[0018]在一些可選的實(shí)施方式中，所述第一反射鏡的反射面上設(shè)有鋁反射層。
[0019]在一些可選的實(shí)施方式中，所述光源包括:出射光為平行光的發(fā)光體、位于所述發(fā)光體出光側(cè)的半透射半反射的光學(xué)平片。
[0020]本實(shí)用新型還提供了一種T0F-SMS，包括上述任一項(xiàng)所述的樣品圖像系統(tǒng)。
[0021]由于本實(shí)用新型提供的T0F-SMS，采用了上述樣品圖像系統(tǒng)，而上述樣品圖像系統(tǒng)具有節(jié)省TOF-SMS主腔體的內(nèi)部空間，提高二次離子提取效率等優(yōu)點(diǎn)，所以，本實(shí)用新型提供的TOF-SIMS具有較高的靈敏度和圖像分辨率。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】[0022]此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本實(shí)用新型的一部分，本實(shí)用新型的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0023]圖1為現(xiàn)有技術(shù)下的TOF-SMS結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本實(shí)用新型提供的TOF-SMS結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3為本實(shí)用新型提供的TOF-SIMS結(jié)構(gòu)內(nèi)的Schwarzschild雙反射結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖4為本實(shí)用新型提供的TOF-SIMS結(jié)構(gòu)內(nèi)的Schwarzschild雙反射結(jié)構(gòu)的參數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)圖；
[0027]圖5為本實(shí)用新型提供的TOF-SIMS的樣品圖像系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖中:
[0029]01.離子源02.—次離子光學(xué)系統(tǒng)03.三維樣品臺(tái)04.樣品靶05.二次離子提取系統(tǒng)06.飛行時(shí)間質(zhì)量分析器07.離子檢測(cè)系統(tǒng)08.光源1.主腔體21.變焦鏡頭22.電荷藕合器件圖像傳感器3.光源31.發(fā)光體32.光學(xué)平片4.二次離子提取系統(tǒng)41.殼體5.第一反射鏡6.第二反射鏡7.第三反射鏡8.樣品革巴
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。
[0031]如圖2所示，圖2為本實(shí)用新型提供的TOF-SIMS結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)用新型提供的TOF-SIMS的樣品圖像系統(tǒng)包括:安裝于TOF-SMS的主腔體I外的電荷藕合器件圖像傳感器22、變焦鏡頭21和光源3、以及設(shè)置于主腔體I內(nèi)的二次離子提取系統(tǒng)4的殼體41上的第一反射鏡5、第二反射鏡6和第三反射鏡7,第一反射鏡5、第二反射鏡6和第三反射鏡7上設(shè)有安裝孔，第一反射鏡5、第二反射鏡6和第三反射鏡7通過(guò)安裝孔套裝于主腔體內(nèi)的二次離子提取系統(tǒng)4的殼體41 ；
[0032]在光源3發(fā)出的光射入主腔體I的光路中:第一反射鏡5的一部分位于光源3的出射光路上，第三反射鏡7的一部分位于第一反射鏡5的反射光路上，第二反射鏡6的一部分位于第三反射鏡7的反射光路上，TOF-SIMS的樣品祀8位于第二反射鏡6的反射光路上；
[0033]在樣品靶8反射的光射出主腔體I的光路中:第二反射鏡6的另一部分位于樣品靶8的反射光路上，第三反射鏡7的另一部分位于第二反射鏡6的反射光路上，第一反射鏡5的另一部分位于第二反射鏡6的反射光路上，變焦鏡頭21位于第一反射鏡5的反射光路上，電荷藕合器件圖像傳感器22位于變焦鏡頭21的出射光路上。
[0034]本實(shí)用新型提供的TOF-SMS的樣品圖像系統(tǒng)，通過(guò)在主腔體內(nèi)設(shè)置第一反射鏡
5、第二反射鏡6和第三反射鏡7,實(shí)現(xiàn)了光線的內(nèi)外傳輸,達(dá)到將電荷藕合器件圖像傳感器22、變焦鏡頭21和光源3設(shè)置在主腔體I的外部的目的，節(jié)省了 TOF-SMS的主腔體I的內(nèi)部空間，間接提高了主腔體I的真空度，并提高了二次離子提取效率。
[0035]所以，本實(shí)用新型提供的TOF-SMS的樣品圖像系統(tǒng)，節(jié)省了 TOF-SMS主腔體的內(nèi)部空間，提高了二次離子提取效率。
[0036]本實(shí)用新型提供的TOF-SMS的樣品圖像系統(tǒng)理想狀態(tài)下的光的傳播路線為:光源3發(fā)出的光經(jīng)第一反射鏡5反射后，照射在第三反射鏡7上，再經(jīng)第三反射鏡7反射后，照射在第二反射鏡6上，再經(jīng)第二反射鏡6反射后，照射在TOF-SMS的樣品靶8上，再經(jīng)樣品靶8反射后，照射在第二反射鏡6上，再經(jīng)第二反射鏡6反射后，照射在第三反射鏡7上，再經(jīng)第三反射鏡7反射后，照射在第一反射鏡5上，再經(jīng)第一反射鏡5反射后，照射在變焦鏡頭21上，再經(jīng)變焦鏡頭21傳到電荷藕合器件圖像傳感器22上。
[0037]電荷藕合器件圖像傳感器(CCD,Charge Coupled Device)是由一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來(lái)修改圖像。電荷藕合器件圖像傳感器由許多感光單位組成，通常以百萬(wàn)像素為單位。當(dāng)電荷藕合器件圖像傳感器表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。
[0038]如圖3所示，圖3為本實(shí)用新型提供的TOF-SMS結(jié)構(gòu)內(nèi)的史瓦西Schwarzschild雙反射結(jié)構(gòu)示意圖，進(jìn)一步地，第二反射鏡6為球型凹面鏡，第三反射鏡7為球型凸面鏡，且第二反射鏡6和第三反射鏡7同心，第二反射鏡6和第三反射鏡7形成Schwarzschild雙反射結(jié)構(gòu)。SchwarzschiId雙反射結(jié)構(gòu)在一定參數(shù)設(shè)定下,具有消除三階球面像差、慧差、像散的特性，且成像質(zhì)量好。
[0039]Schwarzschild系統(tǒng)屬于典型的正入射成像系統(tǒng)，由兩塊同心球面反射鏡組成，光路結(jié)構(gòu)如圖3所示。
[0040]圖4為本實(shí)用新型提供的TOF-SMS結(jié)構(gòu)內(nèi)的Schwarzschild雙反射結(jié)構(gòu)的參數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)圖，如圖4所示，第二反射鏡6與第三反射鏡7同心于R點(diǎn)，P點(diǎn)為物點(diǎn)，Q點(diǎn)為成像點(diǎn)，PQ為主光軸，下面為系統(tǒng)的一些計(jì)算變量。為了消除系統(tǒng)的三階球面像差，慧差及像散，需要對(duì)鏡體的曲率，兩塊鏡體之間的距離，樣品靶到系統(tǒng)的距離等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
[0041]從圖4可知:
[0042]鏡面S1的曲率半徑F1=RP1 ；
[0043]鏡面S2的曲率半徑r2=RP2 ；
[0044]物點(diǎn)離球心R的距離ω =PR ；
[0045]像點(diǎn)到鏡面S2的距離P3=S2Q ；
[0046]鏡面S2的虛像點(diǎn)到球心R的距離q=RT ；
[0047]鏡體S1、S2的半徑比S=Vr2 ；
[0048]α為虛線RP2與光軸PQ的夾角；
[0049]β為直線PPl與光軸PQ的夾角；
[0050]Y為直線QP2與光軸PQ的夾角；
[0051]δ為直線P2P1與虛線P2R的夾角；
[0052]ε為虛線RP1與光軸PQ的夾角；
[0053]為了規(guī)范，所有的計(jì)算公式均以1*2為基準(zhǔn)。ω’是ω的替代量，為了表示ω’是一個(gè)變量，定義一個(gè)變量X，X是為了將ω和rl、r2聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行計(jì)算的一個(gè)替代量。
[0054]X= ω，/ (2 ω，+g)
【權(quán)利要求】
1.一種TOF-SMS的樣品圖像系統(tǒng)，其特征在于，包括:安裝于TOF-SMS的主腔體外的電荷藕合器件圖像傳感器、變焦鏡頭和光源、以及設(shè)置于所述主腔體內(nèi)的第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡，所述第一反射鏡、第二反射鏡和所述第三反射鏡上設(shè)有安裝孔，所述第一反射鏡、所述第二反射鏡和所述第三反射鏡通過(guò)安裝孔套裝于所述主腔體內(nèi)的二次離子提取系統(tǒng)的殼體； 在所述光源發(fā)出的光射入所述主腔體的光路中:所述第一反射鏡的一部分位于所述光源的出射光路上，所述第三反射鏡的一部分位于所述第一反射鏡的反射光路上，所述第二反射鏡的一部分位于所述第三反射鏡的反射光路上，TOF-SMS的樣品靶位于所述第二反射鏡的反射光路上； 在所述樣品靶反射的光射出所述主腔體的光路中:所述第二反射鏡的另一部分位于所述樣品靶的反射光路上，所述第三反射鏡的另一部分位于所述第二反射鏡的反射光路上，所述第一反射鏡的另一部分位于所述第二反射鏡的反射光路上，所述變焦鏡頭位于所述第一反射鏡的反射光路上，所述電荷藕合器件圖像傳感器位于所述變焦鏡頭的出射光路上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TOF-SIMS的樣品圖像系統(tǒng)，其特征在于，所述第二反射鏡為球型凹面鏡，所述第三反射鏡為球型凸面鏡，且所述第二反射鏡和所述第三反射鏡同心，所述第二反射鏡和所述第三反射鏡形成史瓦西Schwarzschild雙反射結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的TOF-SIMS的樣品圖像系統(tǒng)，其特征在于，所述球型凹面鏡的曲率半徑為86.775毫米，所述球型凹面鏡上設(shè)有的安裝孔的直徑為68毫米；所述球型凸面鏡的曲率半徑為33.76毫米，所述球型凸面鏡上設(shè)有的安裝孔的直徑為16毫米；所述球型凹面鏡與所述球型凸面鏡之間的距離為53.016毫米；所述樣品靶與所述球型凸面鏡的球心之間的距離為27.63毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的TOF-SIMS的樣品圖像系統(tǒng)，其特征在于，所述球型凹面鏡和所述球型凸面鏡的反射面上均設(shè)有鋁反射層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TOF-SIMS的樣品圖像系統(tǒng)，其特征在于，所述第一反射鏡為具有45°斜面的平面反射鏡，所述第一反射鏡上設(shè)有的安裝孔的直徑為16毫米。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的TOF-SIMS的樣品圖像系統(tǒng)，其特征在于，所述第一反射鏡的反射面上設(shè)有鋁反射層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1?6任一項(xiàng)所述的TOF-SIMS的樣品圖像系統(tǒng)，其特征在于，所述光源包括:出射光為平行光的發(fā)光體、位于所述發(fā)光體出光側(cè)的半透射半反射的光學(xué)平片。
8.一種T0F-SMS，其特征在于，包括如權(quán)利要求1?7任一項(xiàng)所述的樣品圖像系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】G02B7/182GK203414424SQ201320503411
【公開(kāi)日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年8月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月16日
【發(fā)明者】龍濤, 王培智, 包澤民, 曾小輝, 張玉海 申請(qǐng)人:中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所